JP3859331B2 - 高疲労強度鋼線およびばねとそれらの製造方法 - Google Patents

高疲労強度鋼線およびばねとそれらの製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱性および疲労強度に優れた鋼線およびばねとそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ばね用鋼線として、Ｃ：０．６〜０．８，Ｓｉ：０．１５〜０．３５，Ｍｎ：０．３〜０．９mass％を含むものが知られている。このばね用鋼線は、圧延→パテンティング（γ化加熱→恒温変態）→伸線→（コイリング）→歪み取り焼鈍（３００±３０℃）の工程を経て製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のばね用鋼線では耐熱性，疲労強度共に十分とはいえない。一方、Ｓｉの含有量を高めることで耐熱性が向上することはパラレルワイヤをはじめとする鋼線において知られている。ただし、耐熱性といってもその狙いは様々であり、パラレルワイヤでの耐熱性は溶融亜鉛メッキ（４５０℃×３０秒）された後にＴＳの変化が小さいことが本来の狙いである。しかし、本発明鋼線が用いられる自動車のエンジン回りのばね等の場合、重要なのは１００〜２００℃の温度域でのへたりが小さいことであり、さらに疲労特性も兼ね具えることである。このため、単にパラレルワイヤの化学成分をばねに応用してもばね材として十分な特性は得られていない。すなわち、パラレルワイヤでＳｉを添加することによって疲労特性が向上するとの報告もあるが、これらは引張力の繰り返し疲労であり、ばね材の疲労とは本質的に要求特性が異なる。パラレルワイヤでは表面の硬度低下があっても疲労特性への影響が小さいが、Ｓｉ含有量の高いばね用鋼線では疲労特性への影響が大きいことがわかった。
【０００４】
また、鋼線製造の最終工程で熱処理（焼入れ・焼戻し）を施すことで耐熱性，疲労強度共に優れた鋼線（オイルテンパー線）を得ることが知られているが、焼入れ・焼戻しを施す場合はコストが高くなるという問題がある。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、焼入れ・焼戻しを行わない、すなわち伸線加工により得られる耐熱性と疲労強度の優れた鋼線およびばねとそれらの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解消するもので、その特徴は、mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線で構成され、鋼線横断面において、表面から１００μmまでの硬度の平均がその内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で５０以上高いことにある。特に、内部の硬度の平均がマイクロビッカース硬度で５００以上で、かつこの硬度差が１５０以上であることが好ましい。
【０００７】
この鋼線にはさらにＭｏを０．０３〜０．１mass％添加してもよい。また、Ｍｎ：０．３〜０．９mass％，Ｃｒ：０．２mass％以下を含有してもよい。この鋼線の引張強度は、十分な疲労強度を出すためには、１９００Ｎ／mm2 以上が好適である。さらに、表面の圧縮残留応力が３００MPa 以上であることが望ましい。
【０００８】
また、本発明鋼線の製造方法は、mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線をシェービングしてからパテンティングし、伸線した後に３５０〜４５０℃で歪み取り焼鈍を行い、その後にショットピーニングを行うことを特徴とする。ばねに加工する場合は、伸線と歪み取り焼鈍との間でコイリングを行えばよい。そして、歪み取り焼鈍の後に窒化処理も行うことが好ましい。さらに、このショットピーニングまたは窒化処理とショットピーニングの後に２５０℃前後で二次歪み取り焼鈍を行うことが好適である。
【０００９】
以下、本発明の構成を上記のように限定した理由を述べる。
＜化学成分＞
Ｃ：疲労強度の観点から下限値を決め、伸線性の観点から上限値を決めた。
Ｓｉ：耐熱性の向上に必要な元素である。下限値未満では十分な耐熱性が得られず、上限値を越えると鋼線表面に疵が付きやすい。
Ｍｏ：下限値未満では耐熱性・疲労強度向上の効果が小さく、上限値を越えるとパテンティングの時間が長く生産性が劣る。
Ｍｎ：焼入れ性向上のために添加する。上限値を越えると偏析が多くなりやすく、伸線性に劣る。
Ｃｒ：上限値を越えるとパテンティングの時間が長く生産性に劣るからである。
【００１０】
＜シェービング＞
鋼線表面の低硬度層の除去が目的である。鋼線の内部の硬度よりもマイクロビッカース硬度で５０以上硬度の低い層を除去することで疲労特性を改善する。
【００１１】
＜歪み取り焼鈍＞
ばねの疲労特性向上のため３５０〜４５０℃で行う。この温度の焼鈍により、伸線およびコイリングで生じた歪みを十分に除去する。このような高温で歪み取り焼鈍を行っても、鋼線の強度はＳｉが添加されているため低下しない。下限値未満では疲労特性向上の効果が少なく、上限値を越えるとワイヤの強度，疲労強度も下がる。この焼鈍の時間は２０分程度が効果と生産性の点で好ましい。
【００１２】
＜ショットピーニング＞
ばね用鋼線の疲労強度は線表面の高い硬度と大きな圧縮応力が必要とされる。歪み取り焼鈍により十分に歪みが除去がなされるため、ショットピーニングにより圧縮の残留応力を付与しやすく、疲労特性に優れる鋼線・ばねを製造することができる。
【００１３】
＜窒化処理＞
従来のピアノ線では残留応力を与える窒化処理でマトリックスの強度低下が起こり、窒化処理・ショットピーニングを行っても圧縮応力付与の効果を十分に発揮できない。Ｓｉの含有量を高めた本発明鋼線では耐熱性が改善され、マトリックスの強度低下が小さいため、圧縮残留応力の付与が十分に疲労強度改善に寄与する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（試験例１）
表１に示す化学成分のインゴット１００ｋｇを真空溶解設備で溶解鋳造し、熱間鍛造，圧延により１１mmφの線材を製造した。
【００１５】
【表１】
Figure 0003859331
【００１６】
これらの線材をシェービングにより表面層を除去して１０mmφとし、下記のパテンティング，伸線，歪み取り焼鈍を行ってパーライト組織の鋼線を得た。
パテンティング：９５０→５８０℃鉛浴
伸線：１０mmφ→４mmφ
歪み取り焼鈍：３００，３５０，４００，４５０，５００℃で各２０分間
【００１７】
そして、この鋼線を用いて、ショットピーニングのみを施したものと何も施さないものの３種類を得て、さらに二次歪み取り焼鈍を（２５０℃×２０分）行った。ショットピーニングは０．３mm径のスチールボールで２０分行った。そして、上記の各鋼線に中村式の回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、その際の疲労限を１０7 回とした。その結果を図１に示す。
【００１８】
図１に示すように、Ｓｉの含有量が高く、ショットピーニングを行った実施例１が最も疲労限界振幅応力が大きく、疲労強度に優れることがわかる。ショットピーニングを行わなかった比較例１やＳｉ量の低い比較例２はいずれも実施例１よりも疲労強度が劣っている。また、歪み取り焼鈍の温度は３５０〜４５０℃の場合に好結果となっている。
【００１９】
次に、これら３種類の鋼線について断面硬度分布の測定を行った。なお、硬度測定の対象とした実施例１，比較例１の歪み取り焼鈍温度は４００℃、比較例２の同焼鈍温度は３００℃である。その結果を図２に示す。
【００２０】
図２に示すように、ショットピーニングを施していない比較例１は表面部の硬度が低下しているが、ショットピーニングを行った実施例１と比較例２は表面部の硬度が高くなっている。そして、実施例１の硬度は比較例２のそれに比べて全般的に高くなっている。特に、実施例１の表面から１００μm以内の平均硬度は６７５Hmv で、その内部の平均硬度は６２０Hmv となっており、高い硬度を維持できていることがわかる。
【００２１】
なお、各鋼線の引張強度は次の通りであった。
実施例１：２１４０Ｎ／mm2
比較例１：２１３０Ｎ／mm2
比較例２：１９６０Ｎ／mm2
【００２２】
（試験例２）
次に、前記実施例１の化学成分におけるＣとＳｉの含有量を変え、各鋼線について前記と同様の疲労試験を行った。なお、歪み取り焼鈍条件は、０．２mass％Ｓｉのものが３００℃×２０分、他のものは４００℃×２０分である。その結果を図３に示す。
【００２３】
図３において、（×）は製造工程中に疵が多発し、実際には製造できず、疲労試験も行えなかったことを示している。このグラフに示すように、Ｃの含有量としては０．７〜１．０mass％，Ｓｉの含有量としては０．８〜１．５mass％が好ましいことがわかる。
【００２４】
（試験例３）
さらに、試験例１における実施例１（歪み取り焼鈍：４００℃×２０分）についてショット条件を変えた４種類のショットピーニングを行い、鋼線断面における硬度分布を調べた。なお、ショット条件の変更はショット材の変更やショット時間の変更により行う。この結果を図４に示す。このグラフに示すように、鋼線の表面から１００μm鋼線の内部の平均硬度よりも５０以上高いものが得られている。各試験材の疲労限界振幅応力は次の通りであった。
試験材Ａ：５７５Ｎ／mm2
試験材Ｂ：５９０Ｎ／mm2
試験材Ｃ：６６０Ｎ／mm2
試験材Ｄ：６９０Ｎ／mm2
【００２５】
（試験例４）
試験例１と同様の工程で歪み取り焼鈍（４００℃×２０分）までを行い、その後、下記の処理を行った鋼線（実施例２，３，比較例３）を得て、断面の硬度分布を調べた。
実施例２：ショットピーニングを行って二次歪み取り焼鈍を行う。
化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：１．３５，Ｍｎ：０．５１
Ｃｒ：０．０９mass％
実施例３：窒化処理を行ってからショットピーニングと二次歪み取り焼鈍とを行う。
化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：１．３５，Ｍｎ：０．５１
Ｃｒ：０．０９mass％
比較例３：窒化処理を行ってからショットピーニングと二次歪み取り焼鈍と を行う。
化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：０．２１，Ｍｎ：０．５０
Ｃｒ：０．０９mass％
ショットピーニングおよび二次歪み取り焼鈍の条件は試験例１と同様で、窒化処理条件は４５０℃×２時間である。試験結果を図５に示す。
【００２６】
このグラフに示すように、実施例２は鋼線内部よりも表面から１００μmにおける表面硬度が５５Hmv 程度高く、実施例３は鋼線内部よりも表面から１００μmにおける表面硬度が１５０Hmv 程度以上高い。また、いずれの実施例も鋼線内部における平均硬度は５２０Hmv 程度以上と高くなっている。これに対し、比較例３は窒化処理時の高温により強度低下が大きく、鋼線内部の硬度は４７０Hmv 程度で、表面硬度も各実施例に比べて低い。
【００２７】
さらに、この実施例３の鋼線におけるＣとＳｉの含有量を変更し、得られた鋼線の疲労限界振幅応力を調べてみた。その結果を図６に示す。このグラフに示すように、ＣとＳｉの含有量が多いほど疲労限界振幅応力が大きいが、Ｓｉ量が２．０％のものは製造段階で疵が多発して試験を行うことができなかった。また、Ｓｉ量が０．５％以下では疲労限界振幅応力が大きく低下することがわかる。
【００２８】
次に、前記実施例２，３と比較例３について表面の圧縮残留応力を測定した。その結果および鋼線の表面・中心の硬度を表２に示す。
【００２９】
【表２】
Figure 0003859331
【００３０】
この表に示すように、いずれの実施例も表面の圧縮残留応力が高く、疲労強度に優れ、ばね用鋼線として最適であることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明鋼線は高い耐熱性と疲労強度を具えており、ばね用鋼線に最適である。また、本発明鋼線の製造方法は、焼入れ・焼戻し処理を行うことなく本発明鋼線を製造することができ、低コストで耐熱性と疲労強度を兼ね具えた鋼線を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪み取り焼鈍温度と疲労限界振幅応力との関係を示すグラフである。
【図２】線材断面の硬度分布を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ量と疲労限界振幅応力との関係を示すグラフである。
【図４】鋼線断面の硬度分布とショット条件の違いとの関係を示すグラフである。
【図５】窒化処理とショットピーニングを行った場合における線材断面の硬度分布を示すグラフである。
【図６】窒化処理とショットピーニングを行った場合におけるＳｉ量と疲労限界振幅応力との関係を示すグラフである。

Claims (14)

  1. mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５，Ｍｎ：０．３〜０．９，Ｃｒ：０．２以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるパーライト組織の鋼線で構成され、
    鋼線横断面において、表面から１００μmまでの硬度の平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で５０以上高いことを特徴とする高疲労強度鋼線。
  2. 表面から１００μmまでの硬度の平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で１５０以上高いことを特徴とする請求項１記載の高疲労強度鋼線。
  3. 引張強度が１９００Ｎ／mm2以上であることを特徴とする請求項１記載の高疲労強度鋼線。
  4. 表面の圧縮残留応力が３００MPa以上であることを特徴とする請求項１記載の高労強度鋼線。
  5. 鋼線の内部の硬度の平均がマイクロビッカース硬度で５００以上であることを特徴とする請求項１記載の高疲労強度鋼線。
  6. mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５，Ｍｎ：０．３〜０．９，Ｃｒ：０．２以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるパーライト組織の鋼線で構成され、
    鋼線横断面において、表面から１００μmまでの硬度の平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で５０以上高いことを特徴とする高疲労強度ばね。
  7. 表面から１００μmまでの硬度の平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で１５０以上高いことを特徴とする請求項６記載の高疲労強度ばね。
  8. 引張強度が１９００Ｎ／mm2以上であることを特徴とする請求項６記載の高疲労強度ばね。
  9. 表面の圧縮残留応力が３００MPa以上であることを特徴とする請求項６記載の高疲労強度ばね。
  10. 鋼線の内部の硬度の平均がマイクロビッカース硬度で５００以上であることを特徴とする請求項６記載の高疲労強度ばね。
  11. mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５，Ｍｎ：０．３〜０．９，Ｃｒ：０．２以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるパーライト組織の鋼線をシェービングしてからパテンティングし、伸線した後に３５０〜４５０℃で歪み取り焼鈍を行い、その後にショットピーニングを行うことを特徴とする高疲労強度鋼線の製造方法。
  12. 歪み取り焼鈍の後に窒化処理も行うことを特徴とする請求項１１記載の高疲労強度鋼線の製造方法。
  13. mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５，Ｍｎ：０．３〜０．９，Ｃｒ：０．２以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるパーライト組織の鋼線をシェービングしてからパテンティングし、伸線した後、コイリングを行い、その後に３５０〜４５０℃で歪み取り焼鈍を行い、更にその後にショットピーニングを行うことを特徴とする高疲労強度ばねの製造方法。
  14. 歪み取り焼鈍の後に窒化処理も行うことを特徴とする請求項１３記載の高疲労強度ばねの製造方法。
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